生物脱氮技术在我国废水处理中的应用与研究

    焦化废水是一种典型的难降解有机废水，主要是在煤高温炼焦、煤气净化、产品回收及焦油、粗苯精制过程中产生的工业废水[1]。焦化废水水量大，水质复杂，含有焦油、苯、酚、氰化物、氨氮、硫化物等污染物，是典型的有毒、有害的工业废水。以前，我国有相当比例的焦化厂采用传统的活性污泥法处理焦化废水，这种方法是让生物絮凝体及活性污泥与废水中的有机物充分接触；溶解性的有机物被细胞所吸收和吸附，并最终氧化为最终产物(主要是CO2)。非溶解性有机物先被转化为溶解性有机物，然后被代谢和利用。但是采用该方法，出水中的酚、氰、BOD5基本达标，而CODCr、NH3－N等污染物指标均难于达标，特别是对NH3－N污染物，几乎没有降解作用。过量CODCr和NH3－N超标排放对人类、水产、农作物都构成了很大危害。
　　
　　近年来我国焦化行业随着钢铁生产的快速增长取得了长足发展。2006年国家发改委产业政策司副司长侯世国表示，今后3年焦炭生产能力将保持在3亿t左右。我国在跃居世界焦炭第一生产大国的同时，焦化废水的超标排放也对环境造成了严重的污染。如何加快焦化污水的治理力度，推进清洁生产的步伐，已成为焦化行业当前极为紧迫的任务。
　　
　　1我国焦化废水脱氮治理现状
　　
　　近年来国家对焦化行业出台一系列相关法规，制定相关的清洁生产标准，加大环保治理的力度，提高了资源的利用率，使焦化废水污染的状况有所改变，污染基本得到控制。2005年国家发改委根据“焦化行业准入条件”的要求，对国内焦化生产企业进行了检查考核，达到清洁生产二级以上标准的焦化企业有94家，占国内焦化企业总数的24%。另据业内人士估计，2005年我国焦化行业只有不足35%的焦化企业装有脱氮功能的污水处理装置，不少焦化企业废水排放量已超过该地区河段的承载能力，河流污染和生态遭到破坏的同时，也给企业带来了极大的生存压力。
　　
　　鉴于焦化废水处理技术的缺陷及废水处理成本较高的实际，不少焦化企业的废水净化装置时开时停，那些年产量低于50万t规模的焦化厂家，根本没有废水处理设施，更加剧了环境质量的恶化。老焦化企业焦化废水治理仅使用普通的生物脱酚技术，排放的废水，CODCr和NH3－N根本未得到处理。随着焦炉装备水平的提高，一些老焦化企业扩建改建焦炉，由于受总图布置及工艺条件的限制，废水处理设施不能同步配套实施，这就使得废水污染总量随着焦炭产量的增产而增加。
　　
　　国家“十一五”环境保护规划强调实施更加严格的污染物排放总量控制政策，把防治污染作为今后的主要工作之一，并强调提出，到2010年焦化污水处理达标率达100%，焦化生产工业水重复利用率≥95%。“炼焦工业污染物排放标准”也明确规定，到2009年1月1日，炼焦企业的水污染物最高允许排放浓度，COD≤100mg/L、NH3－N≤15mg/L。而目前80%以上的焦化企业废水排放值大大超过这一指标。
　　
　　针对这种状况，近年来，人们从微生物、反应器及工艺流程几方面着手，研究开发了生物强化技术：生物流化床，固定化生物处理技术及生物脱氮技术等。
　　
　　这些技术的发展使得大多数有机物质实现了生物降解处理，出水水质得到了很大改善，使得生物处理技术成为一项很有发展前景的废水处理技术。本文仅对焦化废水脱氮卓有成效的方法——生物脱氮技术进行介绍。
　　
　　2生物脱氮技术及其应用
　　
　　焦化废水处理的主要目的是去除废水中的CODCr和NH3－N，生物脱氮技术是较经济、实效、无污染转移、易操作掌握的典型工艺技术。它是利用微生物的生物化学作用，将废水中的氨氮经硝化和反硝化反应，转变成无害的氮气而除去。生物脱氮的机理是废水中的氨氮在好氧的条件下，首先被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，此过程被称为硝化反应，然后在缺氧的条件下被反硝化菌还原为氮气，实现总氮的脱除，这个过程称为反硝化反应。
　　
　　目前用于焦化废水生物脱氮的工艺主要有缺氧－好氧(A/O)法、厌氧－缺氧－好氧(A-A/O)法和SBR法等，另外A/O-O法也是A/O工艺的延伸,同属于以缺氧－好氧为基本流程的生物脱氮工艺。
　　
　　2.1A/O法
　　
　　A/O工艺流程是废水首先进入缺氧池，然后进入好氧池，沉淀池上层清液部分回流至缺氧池，污泥则回流至好氧池。在好氧池中，发生硝化反应，氨氮被氧化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，在缺氧池中，回水中的硝态氮与原水中的有机碳发生反硝化反应，硝态氮被还原为氮气而逸出，实现总氮的脱除和CODCr的降解。刘柒变［2］等通过对A/O法处理焦化废水中氨氮的工艺及影响因素的研究，认为控制较高的pH值，较长的污泥龄及C/N＞2.86等参数，有利于提高脱氮效率。另外，温度和回流比也是重要的影响因素。
　　
　　合肥钢铁集团公司焦化厂、安阳钢铁公司焦化厂、昆明焦化制气厂采用A/O(缺氧/好氧)法生物脱氮工艺，运行结果表明该工艺运行稳定可靠，废水处理效果良好，但是处理设施规模大，投资费用高。上海宝钢焦化厂将原有的A/O生物脱氮工艺改为A/O-O工艺，污水处理效果优于A/O工艺，运行成本有所降低，效果明显。山西某焦化厂采用A/O法为主的工艺处理焦化废水，经过污泥的培养、驯化、调试运行，外排水中的主要污染物指标达到了《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中的一级标准，CODCr和NH3－N去除率达90%－96%。
　　
　　2.2A-A/O法
　　
　　该工艺特点在于在一般缺氧/好氧工艺的基础上增加厌氧工段。在厌氧段，废水中难以降解的有机物开环变为链状化合物，链长的化合物开链为链短的化合物。这些有机物进入缺氧段就能成为可利用的碳源，因而处理效果较A/O法好，且勿需投加碳源，氨氮去除率大于60%，但厌氧段的操作条件较难控制。杨平[3]对攀钢焦化废水进行了A-A/O法生物脱氮中试研究，试验表明，流化床生物脱氮A-A/O法工艺处理焦化废水氨氮具有较好的效果，进水氨氮平均470mg/L,出水平均10.33mg/L,达到了一级排放标准。
　　
　　3焦化废水脱氮技术的优化工艺
　　
　　焦化废水的排放破坏了生态环境，造成了巨大的经济损失，给焦化企业的生存和社会环境带来了巨大压力。焦化废水作为一种典型的含有难降解有机物工业废水，其治理技术与工艺改进已成为业内热点课题。针对现有A/O脱氮工艺的缺陷，优化并开发新型脱氮工艺势在必行。
　　
　　3.1A/O-O工艺
　　
　　目前国内生物脱氮技术存在的共性难题主要是细菌成活率较低，处理规模偏小，脱氮效率不稳定，净化效果较差。近10余年来，我国多家焦化企业在应用A/O工艺的基础上，对生物脱氮技术进行优化为A/O-O工艺，该工艺的特点是可以适当地控制第一好氧段(O1)的溶解氧的量,该段没能完全氧化的氨氮及COD保证在第二好氧段(O2)进一步氧化,不但提高了对废水中污染因子的降解能力,而且还降低了运行成本。
　　
　　3.2SBR工艺
　　
　　A/O法虽然处理效果好，但工程投资大、运行费用高。SBR工艺是一种间歇运行的活性污泥法废水处理工艺，是对A/O法的改进，它在同一反应器内，通过程序化控制充水、曝气反应、沉淀、排水、排泥等5个阶段，顺序完成缺氧、厌氧和好氧过程，实现对废水的生化处理。实践证明SBR生物脱氮工艺是一种新的、不需要外加碳源的脱氮方法，具有操作灵活、能适应多种处理要求的新工艺。为提高焦化废水的可生化性，先通过缺氧反应，再进入SBR反应系统，从而形成了缺氧-SBR法。SBR工艺用于生物脱氮时，可获得比常规活性污泥法好得多的效果。罗建中［4］等对此方法进行了研究，试验结果表明：先对焦化废水进行曝气吹脱，10h氨氮去除率达73.7%；用缺氧-SBR工艺处理焦化废水，进水质量浓度COD1474mg/L，NH3－N826.8mg/L时，缺氧SBR10h，曝气SBR10h，沉降2h，出水COD186mg/L，NH3－N290.25mg/L，去除率分别达到88%和65%。
　　
　　4结语
　　
　　焦化生产过程中产生的废水，给环境带来持久性有机污染物的危害已经出现，加剧了我国环境形势的严峻性，焦化废水脱氮治理的这一世界性环保难题，我国目前采用的A/O法，技术手段尚有局限，必须优化其工艺路线并开发新的污水净化技术，实现焦化废水处理的高效化、大型化和实用化。焦化企业要严格执行环境保护的基本国策，加大废水治理力度，促进经济与环境的协调发展，创建节约型“清洁型”循环发展型的焦化企业。
　　
　　[参考文献]
　　
　　[1]曾高.A-A/O法在焦化废水处理上的应用[J].湖南冶金，2003，31(3)：39.
　　
　　[2]刘柒变，等.A/O生物法脱除焦化废水中氨氮的工艺及影响因素[J]，煤化工.2004，(3)：52-57.
　　
　　[3]杨平，生物流化床A-A/O工艺处理焦化废水中试研究[J].化工学报，2002，53(10)：1085-1088.
　　
　　[4]罗建中，等.缺氧-SBR工艺处理焦化废水[J].城市环境与城市生态，2001，14(4)：58-62.
　　
　　[作者简介]周长丽(1967-)，女，硕士，副教授，从事化工和环境多个有关专业的教学工作。